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创建时间:08-24

温岭市第一中学教学楼结构设计

 


1.概述
框架结构住宅是指以钢筋混凝土浇捣成承重梁柱,再用预制的加气混凝土、膨胀珍珠岩、浮石、蛭石、陶烂等轻质板材隔墙分户装配成而的住宅。适合大规模工业化施工,效率较高,工程质量较好。 
    框架结构由梁柱构成,构件截面较小,因此框架结构的承载力和刚度都较低,它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁,楼层越高,水平位移越慢,高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力,这时,现浇楼面也作为梁共同工作的,装配整体式楼面的作用则不考虑,框架结构的墙体是填充墙,起围护和分隔作用,框架结构的特点是能为建筑提供灵活的使用空间,但抗震性能差。 
   房屋的框架按跨数分有单跨、多跨;按层数分有单层、多层;按立面构成分有对称、不对称;按所用材料分有钢框架、钢筋混凝土框架、预应力混凝土框架、胶合木结构框架或钢与钢筋混凝土混合框架等。
本工程由于处于地质比较差的场地,容易产生不均匀沉降,所以整体性能好的框架结构适合用与本工程。
基于本工程土质,设计宜采用桩基础。 目前的桩基础设计过程,往往受到时间的约束首先根据地质报告提供的参数确定单桩承载力设计值,根据这个估算的单桩承载力直接进行桩基础设计并施工,等工程桩施工结束后再挑选试桩进行静载荷试验。
2.工程背景
温岭市第一中学教学楼位于温岭市开发区,楼层4层,结构类型采用钢筋混凝土现浇框架结构,拟建楼总面积不少于5000M2;地基承载力特征值FA=30KPA,                  
基础采用桩基。框架结构混凝土强度等级为C25,钢筋HRB335级或HRB400级,箍筋为HPB23级;基础混凝土强度等级为C25,钢筋HPB235级;楼面活荷载标准值取为2.0KN/M2;基本风压为ω。=0.45KN/M2,地面粗糙度为B类;基本雪压为S。=0.30KN/M2(N=50)
3.设计要求
3.1 设计遵循的规范、规程及规定
(1)混凝土结构设计规范(GB 50010—2002)
(2)建筑结构荷载规范(GB 50009—2001)
(3)建筑地基基础设计规范(GB 50007—2002)
(4)建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)
(5)建筑结构制图标准(GB/T50105-2001)
(6)混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图(03G101-1)

3.2 相关要求
3.2.1及构结构件的变形容许值
根据混凝土结构设计规范GB50010-2002挠度限制取其跨度的1/200,
3.2.2基础设计要求
根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2002),本工程采用端承型桩。扩底灌注桩的中心距不宜小于扩底直径的1.5倍,当扩底直径大于2m时,桩端净距不宜小于1m。在确定桩距时尚应考虑施工工艺中挤土等效应对邻近桩的影响 。
桩底进入持力层的深度根据地质条件荷载及施工工艺确定,宜为桩身直径的1~3倍,在确定桩底进入持力层深度时,尚应考虑特殊土岩溶以及震陷液化等影响,嵌岩灌注桩周边嵌入完整和较完整的未风化,微风化,中风化硬质岩体的最小深度不宜小于0.5m 
桩的主筋应经计算确定打入式预制桩的最小配筋率不宜小于0.8%静压预制桩的最小配筋率不宜小于0.6%灌注桩最小配筋率不宜小于0.2%0.65%(小直径桩取大值) 。
桩顶嵌入承台内的长度不宜小于50mm,主筋伸入承台内的锚固长度不宜小于钢筋直径(I级钢)的30倍,和钢筋直径(II级钢和III级钢)的35倍,对于大直径灌注桩,当采用一柱一桩时可设置承台或将桩和柱直接连接。

4.结构设计主要内容与基本要求
承载力验算和节点设计等有一定的设计经验,并且能够独立完成结构分析计算,尤其是对一些结构设计参数有了较好的理解。熟悉结构设计软件,能够熟练应用PKPM系列结构设计软件。在老师的帮助下,克服设计计算过程中的若干问题,完成本结构设计,完成计算书的编制与绘制施工图纸
(1)计算书及说明书:通过本次毕业设计,能够对框架结构的设计过程有所了解。特别是对钢筋混凝土结构民用建筑设计的全过程,包括构件截面的选择、优化设计、截面
结构布置、板梁柱结构设计计算、基础设计计算。
(2)图纸:
图纸目录、平面布置图、柱平面配筋图及其大样、梁平面配筋图及其大样、板平面配筋图、基础平面图、桩位图、基础配筋图。
(3)基本要求
a)结构布置  考虑建筑功能要求,正确选取计算单元,并绘制结构平面布置图(图纸比例 1:100);
b)截面初估  对于受弯构件,可取梁高b=(1/8~1/12)l,梁宽b=(1/2~1/3)h;
c)荷载计算  按照“结构设计条件”给出的各项进行计算;
d)内力计算  竖向荷载和水平荷载分别采用分层法和D值法计算,并绘制荷载作用下框架的内力图(包括弯矩图、剪力图和轴力图);
(分层法和D值法的具体方法见附录1)
e)内力组合  考虑各种不利、有利因素对各个控制截面进行内力组合;
f)截面设计  进行框架梁、柱截面配筋计算,并绘制下列结构施工图(1:100 各项图幅可以自行调整,但要求布局合理);
l    柱平面配筋图及其大样
l    梁平面配筋图及其大样
l    板平面配筋图;
g)基础设计  采用柱下桩基础,绘制基础平面图、桩位图(图纸比例 1:100)和基础配筋图(图纸比例1:20或1:30);
h)电算复核  采用PKPM商用软件计算复核,并绘制梁、柱、板施工图(可选作)
i)结构设计计算书--结构设计计算书中必须注目结构选型和结构布置的理由及设计依据,详细列出结构设计计算的各个步骤、全部的计算过程和计算结果。计算书中应附有必要的计算用图(结构及构件的关系图和结构及构件的计算简图)。计算书的书写必须整洁,不能随意涂改。
5 计算模型及荷载
5.1. 计算模型
计算时按平面结构处理,以一榀框架为单元。
5.2. 荷载取值
根据建筑结构荷载规范(GB 50009—2001),楼面(板、次梁及主梁)的等效均布活荷载,应在其设计控制部位上,根据需要按内力(如弯矩、剪力等)、变形及裂缝的等值要求来确定。在一般情况下,可仅按内力的等值来确定。
连续梁、板的等效均布活荷载,可按单跨简支计算。但计算内力时,仍应按连续考虑。
  设计中所涉及的荷载包括恒载、活载及偶然荷载,结构设计的荷载取值主要依据是《建筑结构荷载规范》(GB5009-2001,2006年版)(简称荷载规范)。
    另外地基不均匀沉降引起的结构内力、温度变化不均匀变形引起的结构内力,都属于荷载作用效应需要计算的内容。
由于地基不均匀沉降引起的结构内力用严格意义上讲要求计算,但相当复杂,因此工程设计中常常以定性的 “概念设计”为主而很少做定量的 理论分析
计算,如通过设置沉降缝、施工后浇带以及以系列的“抗、放、调”等构造措施,来减少建筑物各部分之间的不均匀沉降差、增加结构或构件抵抗不均匀沉降差的 能力。
本工程涉及到的荷载主要有:
(1) 楼面活荷载   2.0kN/m2    
(2)风荷载        0.45kN/m2
(3)雪荷载        0.30kN/m2
(4)教室楼梯活荷载  2.0 kN/m2

6.材料选择
结构类型采用钢筋混凝土现浇框架结构, 框架结构混凝土强度等级为C25,钢筋HRB335级或HRB400级,箍筋为HPB23级;基础混凝土强度等级为C25,钢筋HPB235级
7.设计使用软件
(1)结构平面计算机辅助设计软件(PMCAD)
(2)建筑CAD
8.进程安排
第一周  开题报告
第二周  结构平面布置及板配筋计算
第三周  框架荷载计算
第四周  框架内力、配筋计算
第五周  框架配筋及施工图
第六周  楼梯、构件计算及施工图
第七周  基础计算及施工图
第八周  上机使用PKPM
第九周  上机使用PKPM
第十周  基础配筋计算、承台配筋图
第十一周  桩基平面布置图
第十二周  图纸修改及打印
第十三周  英文翻译
第十四周  计算书整理
9参考文献
(1)混凝土结构设计规范(GB 50010—2002)
(2)建筑结构荷载规范(GB 50009—2001)
(3)建筑地基基础设计规范(GB 50007—2002)
(4)建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)
(5)建筑结构制图标准(GB/T50105-2001)
(6)混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图(03G101-1)
(7)钢筋混凝土结构构造手册
(8)建筑结构静力计算手册
(9)房屋建筑制图统一标准(GB/T5001-2001)
(10)建筑制图标准(GB/T50104-2001)
(11)房屋建筑学,中国建筑工业出版社


1.概述
建筑结构设计是建设工程设计的重要环节,是保障建筑结构安全、实现建筑使用功能的灵魂。做好“强柱弱梁、强剪弱弯”的框架设计
对于框架结构,在结构建筑特点方面:是由钢筋混凝土梁、柱、节点及基础为主框,加上楼板、填充墙、屋盖组成的结构形式,楼板和横梁连在一起,横梁和柱通过节点连为一体,形成承重结构,将荷载传至基础,力的传递路线比较明确。对于整个房屋全部采用这种结构形式的称为框架结构或纯(全)框架结构。框架可以是等跨或不等跨的,也可以是层高相同或不完全相同的,有时因房屋布局和空间使用要求等原因,也可能在某层抽柱或某跨抽梁,形成缺梁、缺柱的框架。墙体是填充墙,仅起围护和分隔作用,所以框架结构的最大特点是承重构件与围护构件有明确分工,建筑物的内外墙处理十分灵活,应用范围很广,因此能为建筑提供灵活的使用空间。在结构受力性能方面:框架结构构件截面较小,因此框架结构的承载力和刚度都较低,它的受力特点类似于竖向悬臂剪切梁,楼层越高,水平位移越慢,高层框架在纵横两个方向都承受很大的水平力,所以框架结构属于柔性结构,自振周期较长,地震反应较小,经过合理的结构设计可以具有较好的延性性能。
因为板的混泥土用量占整个楼盖的50%以上因此在满足板厚不小于跨度的1/40的前提下,板厚应尽可能薄些。板的配筋率一般为0.3%~0.8%。
板的计算采用弹性理论计算内力。多跨连续双向版的计算多采用仪单位区格板计算为基础的实用计算方法。此方法假定支承梁不产生竖向位移且不受扭;同时还规定,双向板沿同一方向相邻跨度的比值,lmin/lmax≥0.75,以免计算误差过大。
               m=表中系数×pl
式中  m----跨中或支座单位板宽内的弯矩设计值(kN•m/m);
      P----均布荷载设计值(kN/ m2);
      l----短跨方向的计算跨度(m)。
上式为泊松比ν=0时,当ν≠0时,可按下式计算:
               m1v= m1 + νm2  
               m2v= m1 + νm2
对混凝土,可取ν=0.2
为求多跨连续双向板跨中最大正弯矩,可以分解为成满布荷载g+q/2及间隔布置±q/2两种情况,g是均布恒荷载,q是均布活荷载。对于前一种荷载情况,可近似认为各区格板都固定支承在中间支承上;对于后一种荷载情况,可近似认为各区格板都是简支的。支座最大负弯矩可近似按满布活荷载时求得。这时认为各区格板都是固定在中间支座上,楼盖周边仍按实际支承情况确定,然后按单快双向板计算出各支座的负弯矩。由相邻区格板分别求得的同一支座负弯矩不相等时,取绝对值的较大值作为该支座最大负弯矩。
框架结构的柱网布置既要满足生产工艺和建筑平面布置的要求,又要使结构受力合理,施工方便。 梁的截面尺寸应满足承载力、刚度及延性要求。截面高度一般取梁跨度l的1/12~1/8,当梁的负载面积较大或荷载较大时,宜取上限值。梁截面宽度可取1/3~1/2梁高,同时不宜小于1/2柱宽,且不应小于250mm。柱截面根据轴压比进行估算,一般高度不宜小于400mm,宽度不宜小于350mm,柱净高与截面边长尺寸之比宜大于4。
框架计算,框架竖向荷载作用下内力计算可近似地采用分层法计算,为了减少误差,应作以下修正:1.出底层以外其他各层柱的线刚度均乘以0.9的折减系数;2.出底层以外其他各层柱的弯矩传递系数取为1/3。采用弯矩分配法计算各层的结构内力。
水平荷载作用下内力计算采用D值法计算。
 
Mjib =Vij •yh
Mjiv =Vij •(1-y)h
Y= yn + y1 + y2 + y3
    式中:V、 D ,分别为第i层第J根柱的剪力和侧移刚度;V 为第i层的层剪力;H为该层柱的计算高度;y为框架柱的反弯点高度比;yn为框架柱的标准反弯点高度比。
为了增强建筑物的整体稳定性,有利于吸收地震能量;减轻上部结构的地震及风振效应,故多高层建筑的基础应有一定的埋置深度。一般说来,建筑物地下部分深度宜为上部结构高度的1/8~1/is(其中箱形基础可放1/8~1/12),桩基础不宜少于1/15。当然这可根据城市规划要求,同设置地下室(如人防或其他辅助用房)结合起来考虑。对于桩基础,桩尖宜处于同一土层,以避免地震过程中对基础和上部结构的不利影响。在进行桩基设计时,应特别注意角桩的受力最大;在整个基础中它起控制作用。
2.单桩承载力特征值 
1 轴心竖向力作用下 
Qk≤Ra
偏心竖向力作用下除满足公式上式外尚应满足下列要求: 
Qikmax≤1.2 R a 
式中 Ra单桩竖向承载力特征值 
2 水平荷载作用下 
Hik≤RHa 
式中 RHa单桩水平承载力特征值 
2.1单桩竖向承载力特征值的确定应符合下列规定: 
1 单桩竖向承载力特征值应通过单桩竖向静载荷试验确定,在同一条件下的试桩数量不宜少于总桩数的1%,且不应少于3根,单桩的静载荷试验应按本规范附录Q进行 
2 当桩端持力层为密实砂卵石或其他承载力类似的土层时,对单桩承载力很高的大直径端承型桩,可采用深层平板载荷试验确定桩端土的承载力特征值。
3.偏心基础设计应遵循原则:
(1)当e≤b/6时,
 
 
式中:e—偏心距;
b—基础宽度;
 —基础底面边缘的最大压力设计值; 
 —基础底面边缘的最小压力设计值; 
F—上部结构传至基础顶面的竖向力设计值; 
G—基础自重设计值和基础上的土重标准值; 
A—基础底面面积; 
M—作用于基础底面的力矩设计值 ; 
W—基础底面的抵抗矩。 
(2)当 e> b/6时,
 
式中: —垂直与力矩作用方向的基础底面边长;
       —合力作用点至基础底面最大压力边缘的距离。
且两端均要求满足 
式中: —地基土承载力设计值(考虑深度和宽度修正)。
4.分层力矩分配法:
计算要点:1)计算各层梁上竖向荷载值和梁的固端弯矩。
          2)将框架分层,各层梁跨度及柱高与原结构相同,柱端假定为固端。
          3)计算梁、柱线刚度。
             有现浇楼面的梁,宜考虑楼板的作用。每侧可取板厚的6倍作为楼板的有效作用宽度。设计中,可近似按下式计算梁的截面惯性矩:
         一边有楼板                     I=1.5Ir
         两边有楼板                     I=2.0Ir
         式中,Ir为按矩形截面计算的梁截面惯性矩。
             对于柱,假设分层后中间各层柱柱端固定与实际不符,因而,除底层外,上层各柱线刚度均乘以0.9修正。
          4)计算和确定梁、柱弯矩分配系数和传递系数。
             按修正后的刚度计算各结点周围杆件的杆端分配系数。所有上层柱的传递系数取1/3,底层柱的传递系数取1/2。
          5)按力矩分配法计算单层梁、柱弯矩。
          6)将分层计算得到的、但属于同一层柱的柱端弯矩叠加得到柱的弯矩。
              一般情况下,分层计算法所得到的杆端弯矩在各结点不平衡。如果需要更精确的结果时,可将节点的不平衡弯矩再进行分配。
              柱子的轴力可由其上柱传来的竖向荷载和本层轴力(与梁的剪力平衡求得)叠加得到。
5.D值法:
对比较规则的、层数不多的框架结构,当柱轴向变形对内力及位移影响不大时,可采用D值法计算水平荷载作用下的框架内力及位移。
D=ɑ*12icδ/h*h
ɑ:刚度修正系数
ic:柱线刚度,ic=EIc/h,EIc为柱抗弯刚度
δ:层间位移
D值定义:柱结点有转角时使柱端产生单位水平位移所需施加的水平推力。抗侧刚度D值小于d值,即梁刚度较小时,柱的抗侧刚度减小了。α系数与梁柱刚度相对大小有关,梁刚度愈小,α值愈小,即柱的抗侧刚度愈小。
D值分配框架剪力的方法称为D值法。由于假设了楼板在平面内无限刚性,各片框架在同一楼层处侧移相等。因此可知框架结构所有各柱的剪力都可以按Vij = Dij Vpi/ΣDij 计算,此时Vpi为整个框架结构i层总剪力,ΣDij为i层所有柱的的抗侧刚度总和,也就是说,在框架结构中分配剪力时,可以直接将水平总剪力分配到柱,分配的结果与将总剪力先分配到每片框架,再在每片框架中将剪力分配到各柱是相同的
6.参考文献
(1)混凝土结构设计规范(GB 50010—2002)
(2)建筑结构荷载规范(GB 50009—2001)
(3)建筑地基基础设计规范(GB 50007—2002)
(4)建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)
(5)建筑结构制图标准(GB/T50105-2001)
(6)混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图(03G101-1)
(7)钢筋混凝土结构构造手册
(8)建筑结构静力计算手册
(9)房屋建筑制图统一标准(GB/T5001-2001)
(10)建筑制图标准(GB/T50104-2001)
(11)房屋建筑学,中国建筑工业出版社


                                               

目录
1.工程概况………………………………………………………………………………  04
2.设计依据………………………………………………………………………………  04
3.基本假定及计算简图…………………………………………………………………  04
3.1平面布置简图……………………………………………………………………… 05
3.2基本假定…………………………………………………………………………… 06
4.初估截面………………………………………………………………………………  07
4.1梁板截面尺寸……………………………………………………………………   07
  4.2 柱截面尺寸………………………………………………………………………  07
5.荷载计算………………………………………………………………………………  09
5.1恒载计算…………………………………………………………………………… 09
5.2活载计算…………………………………………………………………………… 13
5.3风荷载计算………………………………………………………………………… 15
6.内力计算………………………………………………………………………………  17
6.1计算分配系数……………………………………………………………………  17
6.2计算恒载和活载作用下梁端剪力和柱轴力……………………………………  20
6.3风荷载作用下的内力计算…………………………………………………………27
6.4竖向荷载作用下的弯矩调幅………………………………………………………32
6.5 内力组合…………………………………………………………………………  36
7.构件的配筋计算…………………………………………………………………………42
  7.1梁的受弯正截面配筋计算………………………………………………………… 42
  7.2粱斜截面配筋计算………………………………………………………………… 47
  7.3柱的配筋…………………………………………………………………………… 48
  7.4板配筋计算………………………………………………………………………… 52
8.基础设计…………………………………………………………………………………55
8.1地质报告……………………………………………………………………………55
8.2基础的结构设计……………………………………………………………………55
9.楼梯设计……………………………………………………………………………… 66
   9.1楼梯板设计…………………………………………………………………………66
   9.2平台板设计…………………………………………………………………………67
   9.3平台梁设计…………………………………………………………………………68
10.致谢…………………………………………………………………………………… 70
11.参考文献………………………………………………………………………………  71
 

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